Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

Sustainability Improvement of a composite materials’ industry through recycling and re-engineering process approaches

Recent Advances in Mechanics and Materials in Design

Comportamento da ligação CFRP/betão em estruturas de betão armado

O presente trabalho centra-se no estudo de um sistema de reforço de estruturas de betão armado que se tem tornado bastante utilizado, o reforço com materiais compósitos. Os materiais compósitos utilizados neste estudo são polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer). A ligação deste compósito aos elementos de betão é feita através de resina, neste caso utilizou-se resina epoxídica. Neste sistema de reforço é fulcral garantir que a ligação entre o compósito e o betão é a melhor possível e, por isso, no presente estudo estudou-se esta ligação através de ensaios experimentais de corte simples. Com o intuito de se perceber a influência do comprimento de laminado de CFRP colado ao substrato de betão, foram utilizados diferentes comprimentos colados nos ensaios experimentais. Utilizaram-se duas técnicas de reforço distintas, reforço com compósitos de CFRP colados exteriormente (EBR) e reforço com compósitos de CFRP colados numa ranhura feita no bloco de betão (NSM), com o intuito de se verificar a influência que a técnica de reforço pode ter na eficácia do sistema de reforço, percebendo para qual das técnicas se consegue obter uma melhor aderência entre o laminado de CFRP e o substrato de betão. Foram realizados 11 ensaios de corte simples para a técnica EBR e 8 ensaios de corte simples para a técnica NSM. Neste estudo foi também encontrada uma solução analítica que consegue descrever o comportamento completo da interface entre o material compósito e o substrato de betão. Esta solução analítica foi encontrada a partir de um modelo bond-slip não-linear. Os resultados experimentais obtidos foram analisados e o modelo analítico proposto foi validado com recurso a estudos presentes na literatura e aos resultados experimentais obtidos no presente estudo.

Optimisation and design of post-tensioning anchorage corner blisters in concrete box girder bidges

The design of anchorage blisters of internal continuity post-tensioning tendons of bridges built by the cantilever method, presents some peculiarities, not only because they are intermediate anchorages but also because these anchorages are located in blisters, so the prestressing force has to be transferred from the blister the bottom slab and web of the girder. The high density of steel reinforcement in anchorage blisters is the most common reason for problems with concrete cast in situ, resulting in zones with low concrete compacity, leading to concrete crushing failures under the anchor plates. A solution may involve improving the concrete compression and tensile strength. To meet these requirements a high-performance fibre reinforced self-compacting mix- ture (HPFRC) was used in anchorage corner blisters of post-tensioning tendons, reducing the concrete cross-section and decreasing the reinforcement needed. To assess the ultimate capacity and the adequate serviceability of the local anchorage zone after reducing the minimum concrete cross-section and the confining reinforcement, specified by the anchorage device supplier for the particular tendon, load transfer tests were performed. To investigate the behaviour of anchorage blisters regarding the transmission of stresses to the web and the bottom slab of the girder, and the feasibility of using high performance concrete only in the blister, two half scale models of the inferior corner of a box girder existing bridge were studied: a reference specimen of ordinary reinforced concrete and a HPFRC blister specimen. The design of the reinforcement was based in the tensile forces obtained on strut-and-tie models. An experimental program was carried out to assess the models used in design and to study the feasibility of using high performance concrete only in the blister, either with casting in situ, or with precast solutions. A non-linear finite element analysis of the tested specimens was also performed and the results compared.

Reforço de elementos estruturais de madeira com materiais compósitos de matriz polimérica

A necessidade de manutenção e reabilitação de estruturas de madeira antigas é, nos dias de hoje, um aspeto bastante importante a nível mundial. Assim, o estudo da eficácia de alguns sistemas de reforço torna-se fulcral. A presente dissertação é um estudo experimental sobre reforço de estruturas de madeira com materiais compósitos. Os materiais compósitos utilizados na componente experimental foram polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer) e estes foram colados ao substrato de madeira com resina epoxídica. O estudo experimental foi composto por duas fases. Na primeira fase realizaram-se ensaios de corte simples e na segunda fase ensaios de flexão. Os ensaios de corte simples foram realizados de modo a estudar a ligação CFRP-madeira e a analisar a influência do comprimento colado de CFRP ao substrato de madeira. Para tal, utilizaram-se duas técnicas de reforço, a técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) em que os laminados de CFRP são colados exteriormente e a técnica NSM (Near Surface Mounted) em que os laminados de CFRP são colados numa ranhura feita no provete de madeira. Foram realizados 17 ensaios de corte simples, 10 com a técnica EBR e 7 com a técnica NSM. Na segunda fase, foram realizados 3 ensaios de flexão sobre pavimentos de madeira reforçados com laminados de CFRP. Para estes ensaios também se utilizaram duas técnicas de reforço, a técnica EBR e uma técnica em que o laminado de FRP é ancorado nas extremidades das vigas. Numa fase final os resultados foram analisados e comparados de modo a tirar conclusões. Concluíu-se que a técnica de reforço NSM apresenta um desempenho superior à técnica EBR nos ensaios de corte simples. Comparativamente à técnica EBR, os pavimentos de madeira com o laminado de CFRP ancorado nas extremidades das vigas apresentaram um melhor desempenho.

Monitoring the early stiffness development in epoxy adhesives for structural strengthening

The present work aimed to assess the early-age evolution of E-modulus of epoxy adhesives used for Fibre-Reinforced Polymer (FRP) strengthening applications. The study involved adapting an existing technique devised for continuous monitoring of concrete stiffness since casting, called EMM-ARM (Elasticity Modulus Measurement through Ambient Response Method) for evaluation of epoxy stiffness. Furthermore, monotonic tensile tests according to ISO standards and cyclic tensile tests were carried out at several ages. A comparison between the obtained results was performed in order to better understand the performance of the several techniques in the assessment of stiffness of epoxy resins. When compared to the other methodologies, the method for calculation of E-modulus recommended by ISO standard led to lower values, since in the considered strain interval, the adhesive had a non-linear stress–strain relationship. The EMM-ARM technique revealed its capability in clearly identifying the hardening kinetics of epoxy adhesives, measuring the material stiffness growth during the entire curing period. At very early ages the values of Young׳s modulus obtained with quasi-static tests were lower than the values collected by EMM-ARM, due to the fact that epoxy resin exhibited a significant visco-elastic behaviour.

Experimental and numerical approaches for structural assessment in new footbridge designs (SFRSCC–GFPR hybrid structure)

Within the civil engineering field, the use of the Finite Element Method has acquired a significant importance, since numerical simulations have been employed in a broad field, which encloses the design, analysis and prediction of the structural behaviour of constructions and infrastructures. Nevertheless, these mathematical simulations can only be useful if all the mechanical properties of the materials, boundary conditions and damages are properly modelled. Therefore, it is required not only experimental data (static and/or dynamic tests) to provide references parameters, but also robust calibration methods able to model damage or other special structural conditions. The present paper addresses the model calibration of a footbridge bridge tested with static loads and ambient vibrations. Damage assessment was also carried out based on a hybrid numerical procedure, which combines discrete damage functions with sets of piecewise linear damage functions. Results from the model calibration shows that the model reproduces with good accuracy the experimental behaviour of the bridge.

Exploring the use of HPFRC and GFRP grids for the production of manhole covers

Corrosion of the steel reinforced concrete elements is one of the common pathologies that limits the long-term performance of urban infrastructures. This problem causes the loss of structural serviceability by decreasing the concrete-steel bond strength and reducing the cross section of the reinforcements. The present study introduces a new system for developing free-corrosion resistance prefabricated manhole covers for applications in the aggressive environments, i.e. wastewater collector systems, sewer systems, stormwater systems, etc. Fibre reinforced cement composites were applied in this system in order to suppress the corrodible steel mesh and maintain the structural ductility as well. Application of fibre reinforced polymer (FRP) system is adopted as the additional solution for increasing the load carrying capacity of these elements without concerns about corrosion. The effectiveness of the applied strategy in developing the manhole covers in terms of load carrying capacity and failure mode is evaluated in this research. Furthermore, this paper discusses a FEM-based simulation, aiming to address the possibility of calibrating the constitutive model parameters related to fracture modes I and II.

Design formula for the flexural strengthening of RC beams using prestressed CFRP reinforcement

Applying a certain prestress level to the carbon fiber reinforced polymer (CFRP) reinforcement according to either externally bonded reinforcing (EBR) or near surface mounted (NSM) techniques can mobilize the strengthening potentialities of this high tensile strength composite material. For the prediction of the flexural behavior of reinforced concrete (RC) structures strengthened with prestressed EBR or NSM CFRPs, however, simplified analytical and design formulations still need to be developed as a guidance for engineers to design this type of strengthened structures by hand calculation without any programming help. Hence, the current work aims to briefly explain a developed simplified analytical approach, with a design framework, to predict the flexural behavior of RC beams flexurally strengthened with either prestressed EBR or NSM CFRP reinforcements. Moreover, an upper limit for the prestress level is proposed in order to optimize the ductility performance of the NSM prestressing technique. The good predictive performance of the analytical approaches was appraised by simulating the results of experimental programs composed of RC beams strengthened with prestressed NSM CFRP reinforcements.

Affordable prefabricated modular houses using cement and polymer based materials and advanced design tools

By taking advantage of the appropriate use of cement and polymer based materials and advanced computational tools, a pre-fabricated affordable house was built in a modular system. Modular system refers to the complete structure that is built-up by assembling pre-fabricated sandwich panels composed of steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) outer layers that are connected by innovative glass fibre reinforced polymer (GFRP) connectors, resulting in a panel with adequate structural, acoustic, and thermal insulation properties. The modular house was prepared for a typical family of six members, but its living area can be easily increased by assembling other pre-fabricated elements. The speed of construction and the cost of the constructive elements make these houses competitive when compared to traditional solutions. In this paper the relevant research subjacent to this project (LEGOUSE) is briefly described, as well as the construction process of the built real scale prototype.

Pesquisa experimental para avaliação da eficiência da fibra de aço na resistência à punção de lajes lisas reforçadas simetricamente

O presente artigo é dedicado à avaliação experimental da eficiência do reforço com fibra de aço em termos da resistência à punção de lajes lisa carregadas simetricamente. Para este fim, oito lajes de 2550 x 2550 x 150 mm3 foram ensaiadas até a ruína, onde se investigou a influência do consumo de fibras (0, 60, 75 e 90 kg/m3) e da resistência do concreto (50 e 70 MPa). Duas lajes de referência, sem fibras, uma para cada classe de resistência do concreto, e uma laje para cada consumo de fibra e para cada classe de resistência do concreto compuseram o programa experimental. Todas as lajes foram armadas à flexão com barras de aço (armadura convencional) de forma a garantir a ruína por punção das lajes de referência. O único reforço transversal foi garantido pelas fibras de aço hooked ends com comprimento e diâmetro de 37 e 0,55 mm, respectivamente, e resistência à tração de aproximadamente 1100 MPa. Os resultados revelaram que as fibras de aço são muito eficientes em converter uma ruína frágil por cisalhamento em uma ruína dúctil por flexão, aprimorando ambos, carga de ruptura e deslocamento. Neste artigo o programa experimental é abordado em detalhe e os principais resultados são apresentados e discutidos.

Modelo para calcular a contribuição da fibra na resistência à punção de lajes em concreto reforçado com fibra de aço

Neste artigo, formulações analíticas são desenvolvidas para calcular a resistência à punção de lajes lisas de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) e que também são reforçadas à flexão por barras de aço (reforço convencional). A partir de análises estatísticas sobre um banco de dados que reúne resultados experimentais de caracterização do comportamento pós-fissuração do CRFA, equações são estabelecidas para avaliar parâmetros da resistência residual à tração na flexão (fRi) a partir de informações fundamentais que caracterizam a fibra de aço. O parâmetro de resistência fRi, proposto pelo ModelCode10 foi usado para definir a lei tensão-abertura da fissura (σ-w) que simula o mecanismo de reforço da fibra em um material cimentício. A segunda parte do artigo descreve uma formulação analítica baseada nos conceitos propostos por Muttoni e Ruiz, onde a lei σ-w é convenientemente integrada para simular a contribuição da fibra de aço na resistência à punção de lajes em CRFA. A partir de um banco de dados, composto de 154 ensaios de punção, o bom desempenho da proposta apresentada é demonstrado. O desempenho do modelo também é evidenciado comparando-se os seus resultados a outros modelos.

Modelo para calcular a resistência à punção de lajes lisas simétricas reforçadas com fibras de aço

O presente artigo discute a metodologia de um novo modelo para calcular a resistência à punção simétrica de lajes de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA). O modelo é fundamentado na teoria da fissura crítica de cisalhamento de Muttoni e seus coautores e na proposta do ModelCode10 para simular o comportamento pós-fissuração do CRFA. O desempenho do modelo é avaliado a partir de um banco de dados (BD), coletado da literatura técnica, que totaliza 154 lajes. Os resultados são avaliados em função da precisão, da dispersão e do nível de conservadorismo, a partir do parâmetro λ=Vexp/Vteo, sendo Vexp e Vteo, respectivamente, os resultados obtidos do BD e do modelo. Finalmente, para confirmar o desempenho do modelo, os seus resultados são comparados a outros 7 modelos da literatura técnica e ambos são classificados segundo o critério modificado de Collins, o Demerit Points Classifications – DPC.

Analytical approach for the flexural analysis of RC beams strengthened with prestressed CFRP

The objective of this paper is to propose a simplified analytical approach to predict the flexural behavior of simply supported reinforced-concrete (RC) beams flexurally strengthened with prestressed carbon fiber reinforced polymer (CFRP) reinforcements using either externally bonded reinforcing (EBR) or near surface mounted (NSM) techniques. This design methodology also considers the ultimate flexural capacity of NSM CFRP strengthened beams when concrete cover delamination is the governing failure mode. A moment–curvature (M–χ) relationship formed by three linear branches corresponding to the precracking, postcracking, and postyielding stages is established by considering the four critical M–χ points that characterize the flexural behavior of CFRP strengthened beams. Two additional M–χ points, namely, concrete decompression and steel decompression, are also defined to assess the initial effects of the prestress force applied by the FRP reinforcement. The mid-span deflection of the beams is predicted based on the curvature approach, assuming a linear curvature variation between the critical points along the beam length. The good predictive performance of the analytical model is appraised by simulating the force–deflection response registered in experimental programs composed of RC beams strengthened with prestressed NSM CFRP reinforcements.

Transfer zone of prestressed CFRP reinforcement applied according to NSM technique for strengthening of RC structures

This study presents an experimental program to assess the tensile strain distribution along prestressed carbon fiber reinforced polymer (CFRP) reinforcement flexurally applied on the tensile surface of RC beams according to near surface mounted (NSM) technique. Moreover, the current study aims to propose an analytical formulation, with a design framework, for the prediction of distribution of CFRP tensile strain and bond shear stress and, additionally, the prestress transfer length. After demonstration the good predictive performance of the proposed analytical approach, parametric studies were carried out to analytically evaluate the influence of the main material properties, and CFRP and groove cross section on the distribution of the CFRP tensile strain and bond shear stress, and on the prestress transfer length. The proposed analytical approach can also predict the evolution of the prestress transfer length during the curing time of the adhesive by considering the variation of its elasticity modulus during this period.